河南省冬小麥越冬凍害氣候風(fēng)險區(qū)劃

張弘

摘要：根據(jù)河南省冬小麥越冬凍害發(fā)生特點，結(jié)合前人研究成果選取越冬期內(nèi)最大降溫幅度、平均氣溫、負(fù)積溫、極端最低氣溫和冬前平均氣溫作為致災(zāi)因子，建立冬小麥越冬凍害指數(shù)（FI）。利用1980—2011年河南省115個氣象觀測站的歷史觀測數(shù)據(jù)，計算出各站逐年凍害指數(shù)，運用經(jīng)驗正交函數(shù)法（EOF）分析冬小麥越冬凍害的時空分布規(guī)律，采用正態(tài)分布概率密度函數(shù)統(tǒng)計出各站各凍害等級的氣候風(fēng)險概率，并對河南省冬小麥越冬凍害進(jìn)行氣候風(fēng)險區(qū)劃。結(jié)果表明，越冬凍害高風(fēng)險區(qū)主要位于新鄉(xiāng)市、焦作市、鄭州市、信陽市等地，低風(fēng)險區(qū)主要位于洛陽市、平頂山市、周口市和駐馬店市等部分地區(qū)，總體來看，凍害綜合氣候風(fēng)險分布與重度凍害的概率分布相近。從氣候特征來看，鄭州市、焦作市、新鄉(xiāng)市等地的凍害應(yīng)屬于冬季長寒型凍害，信陽市等地的凍害應(yīng)屬于溫度驟降型凍害。

關(guān)鍵詞：冬小麥；凍害；氣候風(fēng)險區(qū)劃；凍害指數(shù)；經(jīng)驗正交函數(shù)

中圖分類號： S162.5+3；S425 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0443-04

黃淮平原是中國重要的小麥產(chǎn)地，也是中國糧食豐產(chǎn)科技工程的實施示范區(qū)，其小麥產(chǎn)量和面積均占全國30% 以上，為保障國家糧食安全作出了重要貢獻(xiàn)。受地形及氣候條件影響，該地區(qū)也是農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害嚴(yán)重多發(fā)地區(qū)，其中凍害作為小麥生產(chǎn)過程中主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，嚴(yán)重影響了小麥的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。黃淮麥區(qū)小麥凍害按時間可劃分為初冬凍害、越冬凍害、早春凍害和晚霜凍害。其中，越冬凍害是小麥越冬休眠至早春萌動期受較長時間0 ℃以下強(qiáng)烈低溫或劇烈變溫造成的傷害，在全球小麥種植區(qū)內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)[1-3]。根據(jù)凍害發(fā)生的原因一般將其分為溫度驟降型、冬季長寒型和凍融型[4-5]。有研究表明，小麥抵御凍害的能力因品種不同而有明顯差異[6]，低溫凍害對麥苗根系和莖部的影響也存在差異[7]，有學(xué)者提出了麥苗抗凍能力的定量鑒定方法[8]，并利用極端最低氣溫和分蘗節(jié)最低溫度建立了冬小麥凍害死亡率的估算模型[9]；近年來，又有學(xué)者從分子機(jī)理、形態(tài)特征方面對冬小麥凍害開展研究，并將遙感技術(shù)應(yīng)用于冬小麥凍害的監(jiān)測中[10-11]。這些研究雖然在一定程度上揭示了小麥凍害的致災(zāi)原理、類型特點、形態(tài)特征和區(qū)域分布，但沒有建立系統(tǒng)的越冬凍害指標(biāo)體系，針對黃淮地區(qū)越冬凍害的氣候風(fēng)險區(qū)劃研究也未見報道。鄭大瑋以11 月平均氣溫、冬季負(fù)積溫、冬前鍛煉時間和入冬降溫幅度為預(yù)報因子建立了冬小麥凍害預(yù)報模型[12]。本研究在此研究基礎(chǔ)上，綜合考慮3種越冬凍害類型的致災(zāi)因素，建立了能夠反映其危害程度的風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并利用河南省1980—2011年32年的歷史氣候觀測數(shù)據(jù)，對冬小麥越冬凍害進(jìn)行了氣候風(fēng)險區(qū)劃研究，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、制定防災(zāi)減災(zāi)措施提供科學(xué)依據(jù)，并為開展凍害的動態(tài)評估研究提供指標(biāo)參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于河南省氣象局，包括河南省115個氣象觀測站1980—2011年逐日的最低氣溫和平均氣溫數(shù)據(jù)。河南省基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)來源于1 ∶25萬國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。

1.2 凍害致災(zāi)因子的選取

冬小麥凍害是多種因子綜合影響的結(jié)果，其中0 ℃以下低溫是引起麥苗受凍或死亡的主導(dǎo)因子。根據(jù)凍害產(chǎn)生時的天氣條件，凍害被分為秋末冬初溫度驟降型、冬季長寒型和凍融型。溫度驟降型是指雖然冷空氣強(qiáng)度不大，但冬小麥處于分蘗階段，麥苗未經(jīng)過抗寒鍛煉，在冷空氣突然襲擊下受到傷害。冬季長寒型是指強(qiáng)冷空氣活動頻繁，且持續(xù)時間長，冬小麥雖處在休眠期，但受長期嚴(yán)寒天氣影響，而導(dǎo)致其地上部嚴(yán)重枯萎甚至成片死苗。凍融型多出現(xiàn)于冬末春初，氣溫日漸回暖，麥苗開始恢復(fù)生長，此時小麥抗凍能力開始下降，冷空氣強(qiáng)度雖然減弱，但形成的凍害往往比冬季更為嚴(yán)重。據(jù)歷史資料分析表明，河南省冬小麥越冬凍害主要是溫度驟降型和冬季長寒型，因此參考鄭大瑋的研究結(jié)果[12]并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況確定冬小麥越冬期（12月至次年2月）內(nèi)最大降溫幅度（連續(xù)72 h內(nèi)日均溫的最大降溫幅度）、平均氣溫、負(fù)積溫、極端最低氣溫和冬前（11月）平均氣溫為凍害的致災(zāi)因子[12-13]。這些因子不僅考慮了冬前溫度對凍害發(fā)生可能造成的影響，而且反映了凍害過程的持續(xù)時間、災(zāi)害強(qiáng)度和累積作用等。

1.3 凍害指數(shù)構(gòu)建

在SPSS中對5個致災(zāi)因子進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示除“最大降溫幅度”外，其余因子兩兩之間均呈正相關(guān)，且均通過0.05水平顯著性檢驗。因此，利用主成分分析法對凍害致災(zāi)因子的區(qū)域極差標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行權(quán)重綜合簡化，構(gòu)建能夠有效反映原有指標(biāo)信息的綜合變量即冬小麥凍害指數(shù)，以保證建立的凍害指數(shù)能夠消除各致災(zāi)因子之間的信息重疊[13]，計算公式如下：

FI=∑5i=1aixi。（1）

式中：FI表示逐年的凍害指數(shù)；xi和ai分別表示逐年的冬前平均氣溫、越冬期最大降溫幅度、極端最低氣溫、負(fù)積溫和冬前平均氣溫及其各自權(quán)重系數(shù)。

在SPSS中對1980—2011年各站點5個致災(zāi)因子進(jìn)行主成分分析，提取累計方差貢獻(xiàn)率大于80%的主成分，每個主成分的特征值及其方差乘積占所提取主成分總方差的比例之和作為各致災(zāi)因子的權(quán)重系數(shù)[14]，代入公式（1）得到凍害指數(shù)計算表達(dá)式，計算得到各站點逐年的凍害指數(shù)。

1.4 不同等級凍害氣候風(fēng)險概率

對河南省各臺站冬小麥凍害指數(shù)FI進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，結(jié)果表明各站凍害指數(shù)均符合正態(tài)分布，因此本研究采用正態(tài)分布概率密度函數(shù)計算各站各凍害等級的氣候風(fēng)險概率[15]。概率密度函數(shù)公式為：

1.5 冬小麥越冬凍害時空分析

本研究采用經(jīng)驗正交函數(shù)法（EOF）分析河南省冬小麥越冬凍害的時空變化規(guī)律。1個氣象要素，通常有m個空間點或者臺站有n次觀測，這樣組成的矩陣中的任意元素就表示某一空間某一時刻的函數(shù)，這樣的時空函數(shù)可分解成空間函數(shù)與時間函數(shù)兩部分的線性組合。根據(jù)主成分的性質(zhì)，主成分按其方差貢獻(xiàn)大小排列，而且相互獨立，那么可以用前幾個時間函數(shù)與對應(yīng)的空間函數(shù)的線性組合，對原始場作出估計和解釋，這就是EOF分析。本研究基于ArcGIS 10.0進(jìn)行氣象要素的空間分布圖制作和計算結(jié)果的空間插值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省冬小麥凍害指數(shù)結(jié)果分析

利用主成分分析法對冬前平均氣溫、越冬期內(nèi)最大降溫幅度、極端最低氣溫、負(fù)積溫和平均氣溫5個凍害致災(zāi)因子進(jìn)行分析計算，獲得1980—2011年冬小麥各站逐年的凍害指數(shù)，凍害指數(shù)和凍害程度呈正比，凍害指數(shù)越大，凍害程度越重。以虞城站為例，利用主成分分析法對致災(zāi)因子進(jìn)行分析，提取累計方差貢獻(xiàn)率超過80%的前3個主成分，根據(jù)其特征值與方差計算出各致災(zāi)因子的權(quán)重系數(shù)，代入公式（1）后得到凍害指數(shù)表達(dá)式，即FI=0.277x1+0.389x2+0.336x3+0.251x4+0.106x5。FI與5個致災(zāi)因子的標(biāo)準(zhǔn)化值均呈正相關(guān)關(guān)系，表明越冬期內(nèi)最大降溫幅度越大，極端最低氣溫越低，負(fù)積溫越大，冬前平均氣溫越低，所形成的凍害越嚴(yán)重。

根據(jù)歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的凍害指數(shù)將凍害劃分為輕度、中度和重度3個等級，并建立冬小麥越冬凍害指數(shù)與災(zāi)害等級的對應(yīng)關(guān)系（表1）。

2.2 河南省冬小麥凍害時空分布規(guī)律

2.2.1 河南省冬小麥凍害指數(shù)年際變化 將115個站的逐年凍害指數(shù)進(jìn)行平均，獲得河南省1980—2011年逐年的凍害指數(shù)均值，對凍害指數(shù)年際變化進(jìn)行分析（圖1）。由圖1可知，1980—2011年河南省冬小麥凍害指數(shù)的年際變化范圍為0.2～0.8，其中1984年為最大值，1998年為最小值，2000—2010年凍害指數(shù)的振幅較強(qiáng)，說明出現(xiàn)嚴(yán)重凍害的頻率也較高，1990—1998年凍害指數(shù)的振幅較弱，說明出現(xiàn)凍害的頻率較低?？傮w來看，1980—1998年期間河南省冬小麥凍害指數(shù)的年際變化呈極顯著下降趨勢（P<0.01），1999—2011年期間年際變化呈略上升趨勢，但不顯著。利用Mann-Kendall 方法對1980—2011年全省凍害指數(shù)FI平均值的變化趨勢進(jìn)行突變檢驗，結(jié)果顯示突變發(fā)生在1998 年。

2.2.2 EOF分析 本研究采用變量的標(biāo)準(zhǔn)化場對1980—2011年河南省115個站凍害指數(shù)進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)和時間特征的EOF分析，前3個模態(tài)的累計方差貢獻(xiàn)率分別為55%、83%、87%，前2個模態(tài)的貢獻(xiàn)率已經(jīng)超過80%，因此采用EOF前2個模態(tài)基本可以反映冬小麥越冬凍害的時空分布特征。

由圖2-a可知，第1模態(tài)空間分布的特征向量值均為正值，表明研究區(qū)域內(nèi)凍害發(fā)生變化趨勢基本一致，即河南省冬小麥越冬凍害的空間趨勢具有一致性，表明某年該地區(qū)普遍發(fā)生或不發(fā)生凍害。高值中心位于信陽、商丘和許昌等市，表明如果某年發(fā)生凍害，這些地區(qū)凍害程度比其他地方要嚴(yán)重。EOF分離特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)反映了變量要素隨時間變化而變化的規(guī)律。由圖2-b可知，第1模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)波動范圍為2～8，時間系數(shù)均為正，表明凍害總次數(shù)在相應(yīng)的年份與上述分布型有很好的一致性。其中，1984年對應(yīng)的時間系數(shù)最大，與第1模態(tài)分布型有很好的一致性，即1984年信陽市、商丘市、許昌市發(fā)生凍害的次數(shù)較多且程度較重。相關(guān)分析表明，第1模態(tài)的時間系數(shù)年際波動特征和FI平均值的年際變化特征相符，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，因此第1模態(tài)的時間系數(shù)基本可以表征凍害的年際變化特征。時間系數(shù)也可以反映特征向量的分布型特點[16]，即某些年份發(fā)生嚴(yán)重凍害時在空間上的分布表現(xiàn)和圖2-a一致，即主要在信陽、商丘和許昌等市較嚴(yán)重。

由圖3-a可知，第2模態(tài)空間分布的特征值有正有負(fù)，表明地區(qū)之間有差異，正值表示該地區(qū)凍害程度較重，負(fù)值表示凍害程度較輕?？傮w來看，凍害從南向北呈減少趨勢，低值主要分布在河南省北部地區(qū)，高值主要出現(xiàn)在河南省南部地區(qū)。由圖3-b可知，第2模態(tài)所對應(yīng)的時間系數(shù)大部分在0上下小幅波動，其中2005年正值最高，表明2005年與第2模態(tài)分布類型有較好的一致性。與上述分布型明顯不同的是2009年，說明2009年河南省北部發(fā)生凍害較重，河南省南部發(fā)生凍害較輕。

2.3 冬小麥凍害氣候風(fēng)險概率及區(qū)劃

經(jīng)過正態(tài)分布檢驗，1980—2011年河南省115個站FI值的樣本序列均符合0.05顯著性水平正態(tài)分布，因此采用概率密度函數(shù)分別計算115個站不同等級凍害出現(xiàn)的氣候風(fēng)險概率，在ArcGIS中采用克里金插值結(jié)果見圖4。由圖4可知，輕度凍害氣候風(fēng)險概率在15%～25%之間，其中周口市、開封市、濮陽市大部和商丘市西部的輕度凍害風(fēng)險概率較大，而信陽市、駐馬店市、洛陽市、三門峽市、南陽市、鄭州市、安陽市部分地區(qū)輕度凍害風(fēng)險概率較??；中度凍害氣候風(fēng)險概率在10%～20%之間，其中商丘市、開封市、新鄉(xiāng)市、濮陽市大部、鄭州市、南陽市、三門峽市部分地區(qū)中度凍害風(fēng)險概率較大，而駐馬店市、洛陽市、平頂山市、南陽市及信陽市部分地區(qū)中度凍害風(fēng)險概率較??；重度凍害氣候風(fēng)險概率在10%～20%之間，其中信陽市、新鄉(xiāng)市、焦作市、鄭州市、南陽市及三門峽市部分地區(qū)重度凍害風(fēng)險概率較大，而洛陽市、周口市、駐馬店市、平頂山市部分地區(qū)重度凍害風(fēng)險概率較小。

綜合氣候風(fēng)險指數(shù)反映了冬小麥越冬凍害發(fā)生的可能性，其值越高表示發(fā)生凍害的可能性越大，發(fā)生的凍害程度也越嚴(yán)重。根據(jù)公式（5）計算115個站的冬小麥凍害綜合氣候風(fēng)險指數(shù)，在ArcGIS中進(jìn)行克里金插值，并按低風(fēng)險、中風(fēng)險、高風(fēng)險分為3個等級，凍害氣候風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果見圖4-d。從圖4-d可知，高風(fēng)險區(qū)主要位于新鄉(xiāng)市、焦作市、鄭州市、信陽市等地，低風(fēng)險區(qū)主要位于洛陽市、平頂山市、周口市和駐馬店市等部分地區(qū)，總體來看，凍害綜合氣候風(fēng)險分布和重度凍害概率分布相近。從氣候特征來看，鄭州、焦作、新鄉(xiāng)等市可能是由于強(qiáng)冷空氣入侵頻繁，降溫幅度大，持續(xù)時間長的冬季長寒型凍害，信陽等市的凍害可能是冷空氣突然襲擊造成的溫度驟降型凍害。

3 結(jié)論與討論

目前，對冬小麥凍害的研究多采用逐日氣象資料，包括冬季極端最低氣溫或者最大降溫幅度等作為冬小麥越冬凍害發(fā)生的指標(biāo)[16-17]，但不同地區(qū)、不同品種凍害的臨界指標(biāo)不同，而且這些指標(biāo)普遍沒有反映出凍害發(fā)生的累積效應(yīng)。本研究以河南省冬小麥越冬凍害為例，選取能夠反映低溫程度和低溫累積作用的5個致災(zāi)因子建立冬小麥凍害指數(shù)（FI），并根據(jù)凍害災(zāi)損情況確定凍害發(fā)生的臨界值（FI>0.5），凍害指數(shù)越大表示凍害程度越重。另外，冬小麥凍害的發(fā)生不僅和極端最低氣溫、低溫持續(xù)時間、低溫累積作用有關(guān)，還與冬小麥品種、所處的發(fā)育期和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件等有關(guān)。因此，在構(gòu)建凍害指數(shù)時應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐姆N植制度、種植習(xí)慣和冬小麥越冬的生態(tài)環(huán)境條件合理篩選致災(zāi)因子。

綜合氣候風(fēng)險指數(shù)反映了各地區(qū)冬小麥越冬凍害發(fā)生的可能性，本研究計算了河南省115個站的冬小麥凍害綜合氣候風(fēng)險指數(shù)，并在ArcGIS中通過插值計算等生成凍害氣候風(fēng)險區(qū)劃圖。結(jié)果表明，高風(fēng)險區(qū)主要位于新鄉(xiāng)市、焦作市、鄭州市、信陽市等地，低風(fēng)險區(qū)主要位于洛陽市、平頂山市、周口市和駐馬店市等部分地區(qū)。凍害高風(fēng)險區(qū)應(yīng)該在選擇品種時盡量選擇抗寒性較好的小麥品種，并適當(dāng)推遲播期。

參考文獻(xiàn)：

[1]Chen T H，Gusta L V，F(xiàn)owler D B.Freezing injury and root development in winter cereals[J]. Plant Physiol，1983，73（3）：773-777.

[2]Andrews C J，Pomeroy M K，Seaman W L，et al.Relationships between planting date，winter survival and stress tolerances of soft white winter wheat in eastern Ontario[J]. Canadian Journal of Plant Science，1997，77（4）：507-513.

[3]Whaley J M，Kirby E J M，Spicnk J H，et al. Frost damage to winter wheat in the UK：the effect of plant population density[J]. European Journal of Agronomy，2004，21（1）：105-115.

[4]崔讀昌. 關(guān)于凍害、寒害、冷害和霜凍[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，1999，20（1）：56-57.

[5]霍治國，王石立. 農(nóng)業(yè)和生物氣象災(zāi)害[M]. 北京：氣象出版社，2009.

[6]簡令成，張寶田. 小麥越冬期間死苗原因分析[J]. 植物學(xué)雜志，1974（4）：26-27.

[7]Chen T H，Gusta L V，F(xiàn)owler D B. Freezing injury and root development in winter cereals[J]. Plant Physiology，1983，73（3）：773-777.

[8]鄭 維，戚鶴年. 論我國北方冬小麥越冬凍害的生態(tài)類型[J]. 作物學(xué)報，1984，10（1）：35-40.

[9]鄭 維. 冬小麥越冬凍害的數(shù)學(xué)模式[J]. 農(nóng)業(yè)氣象，1981，3（3）：35-44.

[10]Feng M C，Yang W D，Cao L L，et al.Monitoring winter wheat freeze injury using multi-temporal MODIS data[J]. Agricultural Sciences in China，2009，8（9）：1053-1062.

[11]王慧芳，顧曉鶴，董瑩瑩，等. 冬小麥凍害災(zāi)情及長勢恢復(fù)的變化向量分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（11）：145-150.

[12]鄭大瑋. 北京地區(qū)冬小麥凍害及防御對策[J]. 北京農(nóng)業(yè)科技，1982（5）：7-14.

[13]莫志鴻，霍治國，葉彩華，等. 北京地區(qū)冬小麥越冬凍害的時空分布與氣候風(fēng)險區(qū)劃[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（12）：3197-3206.

[14]溫泉沛，霍治國，馬振峰，等. 中國中東部地區(qū)暴雨氣候及其農(nóng)業(yè)災(zāi)情的風(fēng)險評估[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2011，30（10）：2370-2380.

[15]盛紹學(xué)，霍治國，石 磊. 江淮地區(qū)小麥澇漬災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2010，29（5）：985-990.

[16]包云軒，王 瑩，高 蘋，等. 江蘇省冬小麥春霜凍害發(fā)生規(guī)律及其氣候風(fēng)險區(qū)劃[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2012，33（1）：134-141.

[17]鄭大瑋，龔紹先. 冬小麥凍害及其防御[M]. 北京：氣象出版社，1985.